CN105143629A - 催化转化器 - Google Patents

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Abstract

一种催化转化器(10)包括i)包括筒部(1a)、上游侧锥形部(1b)和下游侧锥形部(1c)的外管(1)，和ii)配置在外管(1)的筒部(1a)中的具有网格结构的基底(2)。基底(2)在与基底(2)的长度方向正交的截面中具有网格密度相对高的中央区域(2a)和网格密度相对低的周边区域(2b)。在排气管(4)与下游侧锥形部(1c)的连接部(5)被投影到基底(2)上时的投影部分位于中央区域(2a)内。

Description

催化转化器
技术领域
本发明涉及一种构成用于排气的排气系统的催化转化器。
背景技术
在各种产业中，在世界范围内正在进行减小环境影响的各种努力。其中，在汽车工业中每天都在努力普及所谓的环保车，例如混合动力车辆和电动车辆，当然还有具有优良的燃料经济性能的汽油发动机车辆，并且在进行研发以进一步提高这些车辆的性能。
用于净化排气的催化转化器通常配置在将车辆发动机连接到消声器的用于排气的排气系统中。
发动机排出有害物质，例如未燃烧的HC和VOC。为了将这些有害物质转化成容许的物质，在包括多个网格的基底的网格壁面上形成有贵金属催化剂，例如钯或铂。更具体地，在多个网格的网格壁面上沿基底的长度方向即沿排气流动的方向形成催化剂层。当排气通过设置有具有这种结构的基底的催化转化器时，CO因此转化成CO2，NOx转化成N2和O2，并且VOC燃烧而生成CO2和H2O。
在典型的催化转化器中，基底的网格密度均匀，设置有网格的基底例如具有蜂窝结构。由于在基底的截面中央区域中排气的流速分布高于在截面周边区域中排气的流速分布，故整个基底的催化剂层不能被充分利用。
因此，考虑到这种排气流速分布，通过使催化转化器在基底的中央区域比在基底的截面周边区域具有更高的网格密度，能够尽快地减小基底的截面中流速分布的差异，从而使有效利用整个催化转化器的催化剂层的排气净化成为可能。
另外，以这种方式改变基底的截面中的网格密度也使得催化转化器中的压力损失能够减小，这也有助于改善排气净化性能。
催化转化器与供经净化的排气从该催化转化器流出的下游侧的排气管之间的关系对于提高整个催化转化器的排气转化效率和减小压力损失也非常重要。需要综合地设计催化转化器，包括催化转化器下游侧的排气管。
日本专利申请公报No.2008-18370(JP2008-18370A)关注于催化转化器与上游侧排气管之间的关系，并记载了一种陶瓷催化剂体部，其中，与上游侧排气管的相对于基底的投影部分对应的基底部分的开口率小于与该投影部分外侧的部分对应的基底部分的开口率。
JP2008-18370A中记载的陶瓷催化剂体部关注于催化转化器的上游侧排气管与构成催化转化器的基底的网格密度之间的关系。通过该陶瓷催化剂体部也能够提高排气净化性能。然而，发明人已发现，构成催化转化器的基底与该催化转化器的下游侧排气管之间的关系对于排气净化性能比催化转化器的上游侧排气管与构成该催化转化器的基底之间的关系更重要。
发明内容
因此，本发明通过规定构成催化转化器的基底与该催化转化器的下游侧排气管之间的关系而提供一种具有优良的排气净化性能的催化转化器。
根据本发明的催化转化器包括与供排气流过的排气管连接的外管。该外管包括筒部、上游侧锥形部和下游侧锥形部，所述上游侧锥形部从所述筒部的一端以其截面在直径上变小的方式延伸并且在相对于排气流的上游侧与所述排气管连接，所述下游侧锥形部从所述筒部的另一端以其截面在直径上变小的方式延伸并且在相对于所述排气流的下游侧与所述排气管连接。所述催化转化器还包括配置在所述外管的所述筒部的内部的具有网格结构的基底。在所述基底的网格壁面上形成有催化剂层，在所述催化剂层中在载体上载持有贵金属催化剂。所述基底构造成使得在与所述基底的长度方向正交的截面中位于中央区域的网格密度不同于位于周边区域的网格密度，所述中央区域的网格密度高于所述周边区域的网格密度。所述基底使得在所述排气管与所述下游侧锥形部的连接部的截面被投影到所述基底上时的投影部分落在所述中央区域内。
本发明的催化转化器包括具有网格结构的带催化剂层的基底，该基底配置在由筒部形成的金属外管的中空内部，该筒部位于在一端的上游侧锥形部和在另一端的下游侧锥形部之间，这两个锥形部都朝外侧在直径上变小。使基底具有网格密度相对高的中央区域和网格密度相对低的周边区域使得中央区域与周边区域之间的排气流速分布的差异能够小于网格密度均匀的基底。
此外，当下游侧的排气管与外管的其截面积小于基底的截面积的下游侧锥形部的连接部被投影到基底上时形成的投影部分会落在中央区域内。因此，能够提高排气净化性能。
从催化转化器的下游侧流出的经净化的排气穿过外管的下游侧锥形部并进入下游侧的排气管。因此，即使通过使基底的截面中中央区域的网格密度不同于周边区域的网格密度而试图使整个截面的流速分布均衡，与在供排气流出的下游侧的排气管的截面被投影到基底上时的投影部分对应的基底部分处的排气的流速实际上快于其它基底部分处的流速。
因此，通过将该投影部分安排在基底的中央区域(即网格密度高的区域)内部，能使排气有效地流过网格密度高且催化剂的量多的中央区域，从而能够促进该排气的净化。由此，能够提高整个催化转化器的排气净化性能。
这里，具有网格结构的基底可由陶瓷材料如堇青石或碳化硅制成。包括多个具有格子廓形的网格的所谓的蜂窝结构可应用于具有网格结构的基底，所述格子廓形是四方形、六角形或八角形等。
此外，多孔质氧化物是构成形成在基底的网格壁面上的催化剂层的载体的一个可能的示例。可形成这样的催化剂层，其中在该载体上载持有一种或两种或更多种类型的贵金属催化剂，如铑、钯和铂。
本发明的催化转化器具有具备优良的耐热冲击性的堇青石蜂窝载体，但所述催化转化器也可以是电加热式催化转化器(EHC：电加热转化器)。该电加热式催化转化器设置有一对例如附装于蜂窝催化剂的电极。通过给电极通电来加热蜂窝催化剂，这又增加了蜂窝催化剂的活性，使得穿过蜂窝催化剂的排气被净化。通过将电加热式催化转化器应用于使车辆发动机连接到消声器的用于排气的排气系统，可通过电加热将催化剂激活，由此除了在常温下净化排气外还能够在天气寒冷时净化排气。
如上所述，根据本发明的催化转化器，通过使具有高流速的排气穿过网格密度高且催化剂的量大的中央区域，同时有效地利用基底的周边区域中的催化剂来净化排气，能够促进排气净化，由此提高整个催化转化器的排气净化性能。
附图说明
下面将参照附图说明本发明的示例性实施例的特征、优点以及技术和工业意义，在附图中相似的附图标记表示相似的要素，并且其中：
图1是示出根据本发明的催化转化器的一个示例性实施例连同上游侧和下游侧的排气管的架构模式的视图；
图2是构成催化转化器的基底的透视图；
图3A是从图1中的Y方向观察的下游侧的排气管与下游侧锥形部的连接部被投影到基底的截面上的视图；
图3B是图3A中的投影视图的另一示例性实施例的视图；
图3C是图3A中的投影视图的又一示例性实施例的视图；
图4是示出与基底网格的数量和下游侧排气管的直径改变时的压力损失比有关的分析结果的视图；
图5是确定基底的中央区域的直径d2和连接部的直径d3之差与催化转化器中的压力损失之间的关系的实验结果的视图；
图6是确定基底的中央区域的直径d2和连接部的直径d3之差与催化转化器的NOx净化量之间的关系的实验结果的视图；以及
图7是确定基底的中央区域的直径d2和连接部的直径d3之差与NOx净化量和压力损失的比率(即NO净化量/压力损失)之间的关系的实验结果的视图。
具体实施方式
现将参照附图描述本发明的催化转化器的示例性实施例。
(催化转化器的示例性实施例)
图1是示出根据本发明的催化转化器的一个示例性实施例连同上游侧和下游侧的排气管的架构模式的视图。图2是构成催化转化器的基底的透视图。另外，图3A是从图1中的Y方向观察的下游侧锥形部与下游侧排气管的连接部被投影到基底的截面上的视图。
首先将描述本发明的催化转化器10介于用于排气的排气系统中的概况。本发明的催化转化器所应用的用于排气的排气系统包括发动机、催化转化器、三元催化转化器、副消声器和主消声器，所有这些部件都通过排气管连接在一起。由发动机产生的排气经由排气管流过各部分，以便被排出。在图1中示出催化转化器10、催化转化器10的上游侧的排气管3(下文中也称为“上游侧排气管3”)和催化转化器10的下游侧的排气管4(下文中也称为“下游侧排气管4”)。
催化转化器10包括金属外管1和配置在外管1的内部的基底2。外管1例如由具有一致的截面的筒部1a、上游侧锥形部1b和下游侧锥形部1c构成，所述上游侧锥形部从筒部1a的一端以截面在直径上变小的方式延伸并且在相对于排气流的上游侧与排气管3连接，所述下游侧锥形部从筒部1a的另一端以截面在直径上变小的方式延伸并且在相对于排气流的下游侧与排气管3连接。
配置在外管1的内部的基底2由具有多个网格的筒形元件形成，在网格壁面上形成有未示出的催化剂层。用于形成基底2的材料的可能示例包括陶瓷材料如由二氧化硅、氧化铝和氧化镁的复合氧化物制成的碳化硅或堇青石，以及除陶瓷材料以外的材料如金属材料。
另外，构成形成在基底2的网格壁面上的催化剂层的载体的可能示例是具有CeO2、ZrO2和Al2O3中的至少一种作为主成分的氧化物，其为多孔质氧化物。可能的示例包括由二氧化铈(CeO2)、氧化锆(ZrO2)和氧化铝(Al2O3)中的一者形成的氧化物，和由这些(即(二氧化铈(CeO2)、氧化锆(ZrO2)和氧化铝(Al2O3))中的两种或更多种形成的复合氧化物(作为CZ材料的所谓的CeO2-ZrO2化合物，或Al2O3作为扩散屏障被导入其中的Al2O3-CeO2-ZrO2三元复合氧化物(ACZ材料))。另外，整个催化剂层通过在这些载体上载持作为贵金属催化剂的Pd、Pt和Rh中的一种或两种或更多种而构成。
基底2由包括多个具有格子廓形的网格的蜂窝结构形成，使得排气(沿方向X1)流过各个网格的内部，所述格子廓形是四方形、六角形或八角形等。
此外，基底2具有两个区域，即网格密度相对高的中央区域2a和网格密度相对低的周边区域2b。
通过以这种方式设置具有不同的网格密度的中央区域2a和周边区域2b，已经从上游侧排气管3流过的排气有效地流入有利于流动的网格密度相对低的周边区域2b。因此，中央区域2a与周边区域2b之间的流速分布的差异减小，从而能够执行有效地利用催化转化器10的整个催化剂层的排气净化。
如图所示，当基底2的直径是d1，构成基底2的中央区域的直径是d2，并且下游侧排气管4与下游侧锥形部1c的连接部5的直径是d3时，所示的催化转化器10具有d1>d2≥d3的关系。此外，如图3A所示，催化转化器10和下游侧排气管4形成为使得通过将连接部5投影到基底2的截面上而形成的投影部分位于中央区域2a内。
通过将连接部5投影到基底2的截面上而形成的投影部分存在于中央区域2a内的模式包括如图3A所示连接部5的真圆截面和中央区域2a的真圆截面具有相同的圆心的模式和如图3B所示两个真圆截面的圆心彼此偏离的模式。此外，如图3C所示，当使用具有长圆截面形状的基底2A时，在具有长圆截面形状的中央区域2a’和围绕该中央区域2a’的周边区域2b’中，连接部5的真圆截面位于具有该长圆形状的中央区域2a’内。在基底及其中央区域为多角形的情况下以及在下游侧排气管为长圆形或也为多角形的情况下(因此在连接部的投影部分也是长圆形或多角形的情况下)，只要连接部的投影部分位于基底的中央区域内，就满足本发明的结构。
[与基底网格的数量和下游侧排气管的直径改变时的压力损失比有关的分析及其结果]
发明人使用计算机模拟了以三种不同数量的基底网格和下游侧排气管直径作为参数的催化转化器，并执行分析，以获得这些催化转化器中各者的压力损失比。在分析中使用热流体分析(软件：IDAJCo.,LTD.的STAR-CD)。
在分析基底网格的数量与压力损失比之间的关系时，将下游侧排气管的直径设定为55mm作为条件。同时，当分析下游侧排气管的直径与压力损失比之间的关系时，将基底网格的数量设定为600作为条件。在图4中示出分析结果。
在验证各个因素对催化转化器中压力损失的贡献程度时，发明人发现下游侧排气管直径的增大对压力损失的减小贡献显著，这在图4中也是明显的。
如上文所述，明显的是，在减小催化转化器中的压力损失时，与构成催化转化器的外管连接的下游侧排气管的截面直径比直接构成催化转化器的构成元件具有更大的影响。基于该验证结果规定催化转化器的构成元件与下游侧排气管之间的关系。
由于已从催化转化器10流出到下游侧的经净化的排气穿过外管1的下游侧锥形部1c，然后流出到下游侧排气管4，所以使基底2中的中央区域2a中的网格密度不同于周边区域2b中的网格密度，以试图使整个截面的流速分布均衡。在这种情况下，在与供排气流出的下游侧排气管4的截面被投影到基底2上时的投影部分对应的基底部分处的排气的流速实际上快于在其它基底部分处的流速。因此，如图3A所示，通过将该投影部分设置在基底2的中央区域2a内，可使排气有效地流过网格密度高且具有大量催化剂的中央区域2a，从而可促进净化。由此，能够提高整个催化转化器10的排气净化性能。
[确认基底的中央区域的直径d2和连接部的直径d3之差与催化转化器的压力损失之间的关系、该差与催化转化器的NOx净化量之间的关系、该差与NOx净化量/压力损失之间的关系的实验以及这些实验的结果]
发明人进行实验以确认基底的中央区域的直径d2和下游侧排气管与下游侧锥形部的连接部的直径d3之差与催化转化器的压力损失之间的关系、该差与催化转化器的NOx净化量之间的关系、该差与NOx净化量/压力损失之间的关系。
实验条件是，设定基底的直径d1(截面直径＝103mm)和中央区域的直径d2，并使下游侧排气管的直径d3以四种尺寸即41.2mm、52.7mm、55mm和60.5mm变化。中央区域的面积与基底的总截面积的比率是25％。另外，当测量压力损失时，使用2.5升汽油发动机，并且进气量Ga是100g/s。此外，当测量NOx净化量时，也使用2.5升汽油发动机，并且进气量Ga是20g/s。
图5至7示出实验结果。这里，图5是关于压力损失的实验结果的视图。图6是关于NOx净化量的实验结果的视图。图7是关于NO净化量/压力损失的实验结果的视图。在各图中，基于所标绘的实验结果形成近似曲线。
从图5中可明显看到，当下游侧排气管的直径减小时压力损失增加。
另外，从图6中可明显看到，当下游侧排气管的直径变得小于中央区域的直径时，转化效率的变化量减小。
这样，当下游侧排气管的直径变小时压力损失增加，而当下游侧排气管的直径减小时转化效率的变化量减小。这被认为是由于具有快的流速的排气流入网格密度高的中央区域，从而排气净化在催化剂的量大且排气净化性能高的中央区域被有效地执行。
基于图5和6中的结果，明显的是，在所述差等于或大于零的范围内、即在中央区域的直径大于下游侧排气管的直径的区域内，能够保持高的排气转化效率。
虽然已参照上述示例性实施例详细描述了本发明，但本发明不限于所述示例性实施例，而是也可包括设计变型等而不脱离本发明的范围。

Claims (1)

1.一种催化转化器，包括：
与供排气流过的排气管连接的外管，所述外管包括筒部、上游侧锥形部和下游侧锥形部，所述上游侧锥形部从所述筒部的一端以其截面在直径上变小的方式延伸并且在相对于排气流的上游侧与所述排气管连接，所述下游侧锥形部从所述筒部的另一端以其截面在直径上变小的方式延伸并且在相对于所述排气流的下游侧与所述排气管连接；和
配置在所述外管的所述筒部的内部的具有网格结构的基底，在所述基底的网格壁面上形成有催化剂层，在所述催化剂层中在载体上载持有贵金属催化剂，所述基底构造成使得在与所述基底的长度方向正交的截面中位于中央区域的网格密度不同于位于周边区域的网格密度，所述中央区域的网格密度高于所述周边区域的网格密度，并且所述基底使得在所述排气管与所述下游侧锥形部的连接部的截面被投影到所述基底上时的投影部分落在所述中央区域内。
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